Измерение полей ультразвуковых медицинских преобразователей методами акустической голографии и оптической визуализации, страница 2

Метод применен длявосстановления распределения колебательной скорости излучающей поверхности,визуализации многоэлементной структуры датчика, размера и положения элементов,показана возможность измерения степени фокусировки акустического поля в двухплоскостях.•Доказана возможность применения оптической теневой визуализации для анализаимпульсных акустических полей медицинских диагностических преобразователей.Экспериментальноисследованы параметры акустическогополя: длина волныизлучения, размеры фокальных перетяжек, характер и положение бокового излучения.Показана эффективность теневого метода при исследовании распространенияультразвуковых импульсов в среде, содержащей неоднородные включения типаакустических неоднородностей биологических тканей.•Показана эффективность импульсного теневого метода для количественного измеренияпараметров ультразвуковых полей.

В частности, измерены дисперсионные кривые дляразличных мод Лэмба в пластине из пьезокерамики типа ЦТС в диапазоне 0,3 –1,6 МГц в воде. Теневой метод также применён для измерения в импульсном режимескорости поверхностной волны утечки на границе «твёрдое тело - жидкость».•Проведено численное исследование пространственного распределения акустическихполей многоэлементных импульсных преобразователей в условиях дискретного6изменения задержек сигналов, подаваемых на отдельные элементы. Для типичныхультразвуковых диагностических медицинских приборов изучено влияние величинышага дискретизации временной задержки на видимые поперечные размеры объектов,визуализируемых в В-режиме.Практическая значимость работы•Предложенная методика исследования импульсных ультразвуковых преобразователейпри помощи акустической голографии и теневой оптической визуализации являетсяэффективным и надежным инструментом контроля преобразователей, используемых вмедицине, характеризации свойств их полей.

Зная свойства преобразователей и ихполей,возможноповышатькачествомедицинскойдиагностики,избегатьнежелательного и опасного воздействия ультразвука на биологические ткани.•Метод оптической теневой визуализации является эффективным способом не толькокачественного экспресс-анализа, но и количественного исследования параметровультразвуковых полей различных интенсивностей и частот, в том числе импульсных.Метод отличается простотой, удобством и скоростью получения экспериментальныхрезультатов.•Проведенное численное моделирование позволило по рассчитанным диаграммам,аналогичнымчерно-белымизображениям,формируемымдиагностическимиустройствами, оценить изменение качества ультразвуковой картины в зависимости отвеличины шага дискретизации временной задержки сигналов, подаваемых наотдельные излучающие элементы датчика.

Результаты проведенного исследованияпозволяют выработать рекомендации производителям диагностических устройств сцелью улучшения качества ультразвуковой визуализации.Положения, выносимые на защиту•Экспериментальное применение метода нестационарной акустической голографии дляисследованияколебаниймедицинскихультразвуковыхдиагностическихпреобразователей мегагерцового диапазона частот. Экспериментальныйанализразрешающей способности метода, его возможностей по выявлению тонкой структурыполя колебаний поверхности источника в импульсном режиме.•Экспериментальное применение метода оптической теневой визуализации дляисследования акустических полей медицинских диагностических преобразователей.7Выявление возможностей теневого метода при работе с источниками слабых полейультразвукового диапазона и с источниками со сложной конфигурацией излучающейповерхности.

Экспериментальное доказательство применимости теневого метода дляколичественного исследования параметров ультразвуковых полей. Экспериментальноеисследование взаимодействия акустических импульсов, создаваемых диагностическимпреобразователем, с фантомами биологических тканей.•Исследование влияния дискретизации временной задержки возбуждающих импульсов вдиагностических системах с цифровым формированием зондирующих импульсов наструктуру акустического поля многоэлементного преобразователя.Достоверность полученных в работе результатов подтверждается совпадением данных,полученных в эксперименте, с результатами численного моделирования, проведенногоавтором, специальными проверочными экспериментами, использованием высокоточногоэкспериментального оборудования, а также физической и математической обоснованностьютеоретических расчетов и экспериментальных схем.Апробация работыМатериалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедры акустикифизического факультета МГУ, Акустического института им.

акад. Н.Н. Андреева (АКИН), атакже на следующих конференциях и симпозиумах: на XI Международной конференциистудентов и аспирантов по фундаментальным наукам “Ломоносов-2004” (Москва, 2004), наXV сессии Российского Акустического Общества (Нижний Новгород, 2004), на XVI сессииРоссийского Акустического Общества (Москва, 2005), на XVIII сессии РоссийскогоАкустического Общества (Таганрог, 2006), на X Всероссийской школе – семинаре “Волны –2004” (Звенигород, Моск.

обл., 2004 г.), на II Евразийском конгрессе по медицинскойфизике и инженерии “Медицинская физика - 2005” (Москва, 2005).Кроме того, результаты были представлены на 2 международных конференциях: наМеждународном симпозиуме “Проблемы нелинейной волновой физики” (InternationalSymposium “Topical Problems of Nonlinear Wave Physics” NWP-2005), на Международномсимпозиуме по ультразвуку IEEE (2006 IEEE International Ultrasonics Symposium Vancouver,Canada, 2006).8ПубликацииОсновные результаты изложены в 10 опубликованных работах, список которыхприводится в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемойлитературы, включающего 125 наименований.

Общий объем работы составляет 118 страниц,включающие 40 рисунков.Содержание работыВо введении приводится обзор литературы и современного состояния проблемы,отраженной в теме диссертации. Описана история применения ультразвука в медицине,обозначены основные области применения ультразвука. Выделены трудности, возникающиепри характеризации ультразвуковых диагностических источников. Показана важностьточного предсказания полей, излучаемых источниками ультразвука.

Показана актуальностьсоздания надежных методик контроля колебаний преобразователей и анализа создаваемыхими акустических полей. Рассмотрены различные существующие методы исследованияколебаний поверхности акустических преобразователей. Кратко описаны достоинства инедостатки прямого метода лазерной виброметрии по сравнению с непрямыми методами.Рассмотрен метод акустической голографии, описаны области применения метода, а такжеего достоинства и недостатки по сравнению с другими техниками.Такжевовведениирассмотреныметодыисследованияпространственногораспределения акустического поля диагностических преобразователей. Описаны методчисленного моделирования, метод прямого измерения гидрофонами и метод теневойоптической визуализации или шлирен-метод. Выделены достоинства и недостаткивышеописанных методов.

В частности, шлирен-метод имеет определенные преимуществапри исследовании акустических полей в присутствии модельных объектов, имитирующихбиологические ткани и органы; при исследовании неизвестных заранее акустических полей,создаваемых акустическими преобразователями.Приведено теоретическое описание шлирен-метода. Рассмотрен процесс формированияшлирен-изображения, влияние положения оптического ножа на формируемую картину.Описано применение в шлирен-системах когерентных и некогерентных источников света,9соответствующие типы применяемых оптических ножей. Проведен обзор ряда работ,посвященных шлирен-визуализации ультразвука.Рассмотрена проблема влияния дискретизации временной задержки в диаграммоформирующихустройствахультразвуковыхдиагностическихсистемнаструктуруакустического поля, создаваемого многоэлементными датчиками.

Описан механизмформированияфазовогофронтадиаграммо-формирующимустройством,приэтомдискретизация временной задержки возбуждающих импульсов не позволяет создать ровныйволновой фронт требуемой кривизны, что ухудшает качество фокусировки, оказываянегативное влияние на получаемое изображение в целом.

Проведено сравнение спецификиданной задачи и сходных задач, решаемых в радиолокации. Доказана актуальностьисследованияакустическихполеймногоэлементныхдиагностическихдатчиковвзависимости от дискретизации временных задержек сигналов на элементах датчика. Такжево введении сформулированы цели и задачи работы.Первая глава посвящена экспериментальному применению метода нестационарнойакустической голографии (НАГ) для исследования структуры колебаний поверхностиультразвуковых преобразователей в импульсном режиме.В параграфе 1.1 представлено теоретическое описание НАГ для реконструкциираспределенияголографиейколебательнойназываютскоростиспособнаповерхностивосстановленияисточников.источниказвукапоАкустическойизмерениямакустического давления вдоль некоторой поверхности, расположенной перед этимисточником.